Trabajo

Trabajo.

James Clerk Maxwell definía el trabajo como el acto de producir un cambio en la configuración de un sistema, venciendo las fuerzas que se oponen a dicho cambio. La persona, animal o máquina que ejerza un trabajo sobre un cuerpo debe aplicar una fuerza y mover el objeto. La fuerza no necesariamente es constante, lo importante es que la fuerza debe aplicarse en la dirección de desplazamiento.

Trabajo debido a una fuerza constante.

El trabajo que es realizado sobre un cuerpo por una fuerza constante F al ser desplazado

una distancia r se puede definir como,

En donde cos( ? ) es el coseno del ángulo que forman los vectores fuerza y desplazamiento. 

En una dimensión el vector r se puede reemplazar por la distancia d , y de esta forma en una dimensión el trabajo realizado es de la forma:

El trabajo es una cantidad escalar, es decir que solo posee magnitud, pero no hace referencia a ninguna dirección o sentido.

Ejemplos

Ejemplo: Trabajo sobre un bloque que es arrastrado.

El trabajo que se realiza por una fuerza constante F a lo largo de una línea recta una distancia d, se define como  .

Como ya se ha visto es el producto punto entre dos vectores, la fuerza y el desplazamiento . De las propiedades del producto punto tenemos que el trabajo es igual a la multiplicación de la magnitud de los vectores por el coseno del ángulo que forman los dos vectores.  La única parte que efectúa un trabajo, de la fuerza aplicada, es la que se proyecta sobre la dirección del movimiento. De la ecuación también se puede ver que cuando el ángulo entre la fuerza y la dirección de movimiento es de 90° entonces no se efectúa trabajo, y por lo tanto no hay cambio en la energía cinética.

Ejemplo: Movimiento de un bloque.

Un hombre tira de un bloque de madera de masa m a velocidad constante. El hombre tira por medio de una cuerda que forma un ángulo de 35° con el plano horizontal y desplaza el

bloque una distancia D. Realice el análisis del movimiento.

El trabajo que hace el hombre sobre la masa es de Whombre = F d cos 35°, y es positivo, porque todas las cantidades involucradas son positivas.

Como el bloque se mueve a velocidad constante, entonces la aceleración sobre el bloque será cero. Esto significa que la fuerza total sobre el bloque es cero, por lo tanto deberá existir una fuerza que contrarreste la fuerza realizada por el hombre, esta es la fuerza de fricción producida por el contacto entre el suelo y el bloque.

La magnitud de la fuerza de fricción es de Wfricción= ?F d cos 35°, de forma que el trabajo neto será igual a cero. 

Es muy importante anotar lo siguiente: cuando un cuerpo se mueve a velocidad constante, por ejemplo en el espacio exterior, sobre él no se efectúa trabajo, ya que no hay una aceleración ni una fuerza de fricción que mueva el bloque.

La energía y sus transformaciones.

La energía y sus transformaciones.

¿Qué es lo que se consume cuando se realiza un trabajo? Ya hemos visto que lo que se gasta al realizar un trabajo es la energía.

La energía sufre transformaciones que hacen posible la realización de un trabajo. Al comer diariamente estamos transformando la energía de los alimentos en diversas formas de energía como calor y movimiento.

En general se afirma que la energía no se crea ni se destruye, solamente se transforma. Este concepto tiene hondas repercusiones en los sistemas, no podemos extraer energía eléctrica de una pila por un tiempo infinito, de la misma forma en que no podemos hacer ejercicio durante horas sin reponer por medio de líquidos y alimento la energía que hemos transformado en trabajo y calor.

La existencia de la vida depende fuertemente de la existencia de un gran depósito de energía como el sol. Este mediante radiación electromagnética, luz y calor entre otras, mantiene a la vida en un ciclo de continuas transformaciones de energía.

La energía contenida en un determinado combustible ( energía química ) se transforma en movimiento ( energía cinética ), en calor ( energía térmica ) y en electricidad ( energía eléctrica ). En palabras del genial J. C. Maxwell el trabajo es la transferencia de energía de un sistema a otro.

Formas de energía.

La energía del universo es una constante, y lo que a diario se limita es la capacidad de transformación de una forma específica de energía en trabajo. Al agotar recursos hídricos ya no podemos transformar la energía cinética del agua en movimiento, en energía eléctrica.

Algunas de las formas más importantes de energía son: electromagnética, presente en las ondas de luz y las ondas de radio; química, presente en combustibles fósiles como el petróleo; térmica, presente en procesos de combustión como la quema de carbón y petróleo; mecánica, presente en el movimiento en general de algún sistema; eléctrica, de uso muy común actualmente; nuclear, utiliza la energía que mantiene unido al núcleo atómico para la realización de un trabajo, países como Brasil poseen plantas termonucleares, es decir que convierten la energía nuclear en energía térmica y esta a su vez en energía mecánica por medio de vapor, para la generación de electricidad

Ejemplos de transformaciones de energía.

La energía cinética del viento se transforma en energía eléctrica en los molinos de las centrales eólicas.

La energía potencial se transforma en energía cinética a medida que una esquiadora desciende por una ladera nevada.

La energía luminosa se convierte en energía eléctrica al incidir en los paneles solares de un satélite artificial.

La energía química se convierte en energía luminosa y en energía sonora en un explosión de fuegos artificiales.

La energía calorífica se convierte en energía cinética en el interior de una máquina térmica, por ejemplo una máquina de vapor.

¿La energía se degrada?

La energía no desaparece, se transfiere de unos cuerpos a otros o se transforma de un tipo de energía en otra, luego que sentido tiene la expresión comúnmente utilizada: "Necesidad de ahorrar la energía", que es lo que se quiere decir cuando se dice que se ha gastado la energía?

La respuesta a estas preguntas no es tan simple. Si bien es cierto que la energía no desaparece, si acaba tranformándose en calor, que se disipa al ambiente y no puede ser reutilizada aprovechandola de nuevo. Por ejemplo, cuando utilizamos un artefacto eléctrico, la energía eléctrica se transforma en calorífica que calienta el ambiente. Es así, que si podemos decir que la energía si se degrada al usarla irracionalmente hasta convertirla en calor.

fuentes alternativas de energía.

Biomasa.La energía del sol es utilizada por las plantas para sintetizar la materia orgánica mediante el proceso de fotosíntesis. Esta materia orgánica es incorporada y transformada por el reino animal, incluido el hombre. El hombre, además, la transforma por procedimientos artificiales para obtener bienes de consumo. Todo este proceso da lugar a elementos utilizables directamente, pero también a subproductos que tienen la posibilidad de encontrar aplicación en el campo energético.

Energía solar.El efecto térmico producido por la energía solar hace posible que el hombre lo utilice directamente mediante determinados dispositivos artificiales para concentrarlo y hacerlo más intenso, transfiriéndolo a otros fluidos que le interesen. Adicionalmente el sol produce como efecto la luz, y también el hombre ha aprendido a aprovecharla para producir energía eléctrica.

Energía eólica.El calentamiento desigual de la superficie de la tierra produce zonas de altas y bajas presiones. Este desequilibrio da lugar a desplazamientos del aire que rodea la tierra y que da lugar al viento. El viento es por tanto, energía en movimiento y este movimiento es posible trasladarlo a otros elementos que interesan al hombre para sus utilizaciones.

Energía geotérmica.La energía geotérmica, como excepción, no tiene su origen inmediato en la radiación solar, sino en una serie de reacciones químicas naturales que tienen lugar en el interior de la tierra y que producen grandes cantidades de calor. Esta realidad a veces se pone de manifiesto de forma natural y violenta por fenómenos como el vulcanismo o los terremotos, Pero también el hombre puede aprovechar esta fuente de calor extrayéndolo mediante perforaciones y transfiriendo este calor.Residuos sólidos.Los residuos solidos urbanos (RSU), constituyen una realidad que día tras día se presenta en todas y cada una de las entidades de población. Actualmente en España los RSU tienen cuatro tipos de tratamientos: vertido, compostaje, incineración y reciclado. Desde el punto

de vista energético la única posibilidad es la incineración, tal y como se está dando en algunas centrales españolas.

Ondas

 

Clasificación.

Las ondas más conocidas son las sonoras, estas necesitan de un medio, el aire, para propagarse. Las ondas sísmicas necesitan de la tierra para propagarse. Existen otro tipo muy especial de ondas, las electromagnéticas, que tienen la muy interesante propiedad de propagarse en el vacío. Esta cualidad de propagarse en el vacío es la que ha permitido que la radiación en el universo sea el medio mas utilizado para el transporte de energía.

Un tipo de onda muy común es el de una cuerda que esta fija a un extremo de un poste, y sujeta por una mano nuestra en el otro extremo. Cuando movemos nuestra mano de arriba para abajo, la cuerda sufre un tipo de movimiento ondulatorio. Este tipo de movimiento ondulatorio se denomina transversal, y da origen a las denominadas ondas transversales.

Otro tipo de onda son las longitudinales. Existen cuando el desplazamiento de las partículas que sufren la perturbación son paralelos a la dirección de propagación de la onda. 

Por ejemplo, para el caso de una cuerda donde se transporta una onda mecánica esta es de tipo transversal. Esta onda se propaga con una velocidad que

solamente depende del medio, para este caso es igual a , donde es la tensión de la cuerda y es la masa por unidad de longitud.

Fenómenos ondulatorios

 Reflexión

Ocurre cuando una onda, al encontrarse con un nuevo medio que no puede atravesar, cambia de dirección.

El principio de reflexión de las ondas se emplea en el diseño de antenas para dirigir la radiación y concentrarla en un receptor. Si el disco reflector de la antena

se diseña con forma de paraboloide, las ondas de radio procedentes del espacio que se propagan en direcciones paralelas, serán reflejadas de forma que acabarán confluyendo en un punto, por encima de la superficie del disco, en el que se coloca un receptor. En este tipo de diseño se dice que el receptor se halla en el foco primario y proporciona la máxima apertura para detectar señales débiles.

Refracción

Ocurre cuando una onda cambia de dirección al entrar en un nuevo medio en el que viaja a distinta velocidad.

Cuando un movimiento ondulatorio pasa de un medio de propagación a otro, es natural que se modifique su rapidez y su dirección. Esta es, por ejemplo, la causa de que los peces nos parezcan más grandes dentro de un acuario que cuando los sacamos de él.

Difracción

Ocurre cuando una onda al topar con el borde de un obstáculo deja de ir en línea recta para rodearlo.

La razón por la que ocurre la difracción no es obvia. Christian Huygens hacia la mitad del siglo XVII, propuso una teoría que, aunque parezca extraño, todavía explica bastante bien las observaciones. Podemos suponer que la radiación electromagnética se propaga como ondas planas (la figura que ilustraba el fenómeno de la refracción representaba la radiación como ondas planas). Huygens supuso que ese caso es equivalente a tener, en cada punto del frente plano, una fuente de ondas que se propagan en todas direcciones. Las ondas dirigidas hacia los lados se anulan con las emitidas por los puntos vecinos del frente de forma que la onda sigue siendo plana.

Si, bajo estas hipótesis, la onda encuentra un obstáculo, los puntos situados junto a su borde van a emitir ondas que no se ven contrarrestadas en los laterales produciendo así el efecto aparente de desviar la dirección de propagación.

Efecto Doppler

Efecto debido al movimiento relativo entre la fuente emisora de las ondas y el receptor de las mismas.

Este efecto se produce también con las ondas sonoras, y es el causante de que cuando un coche con una sirena se acerca a nosotros, oigamos el sonido más agudo (la longitud de onda se acorta) y cuando se aleja, el sonido sea más grave (la longitud de onda se alarga).